玻璃纤维平纹编织层合板面内剪切渐进失效分析

为研究玻璃纤维平纹编织层合板面内剪切性能,建立其面内剪切渐进失效分析模型。基于Ramberg-Osgood方程建立考虑面内剪切的非线性本构模型,编写VUMAT子程序,设置Hashin失效准则和刚度退化准则,采用ABAQUS/Explicit求解器对玻璃纤维平纹编织层合板的面内剪切过程进行模拟。研究表明:建立的非线性模型能够很好地描述面内剪切非线性;面内剪切过程中,首先发生纤维-基体的剪切失效,然后是经纬向纤维的拉伸失效,最后是经纬向纤维的压缩失效;预测得到的面内剪切强度、初始剪切模量、位移载荷曲线和失效模式与试验结果吻合,证明所建立模型的有效性。

含孔复合材料层合板轴向拉伸三维有限元渐进失效分析

基于渐进失效分析方法,建立了带孔的三维有限元模型。该模型能有效计算应力集中区和自由边界区的应力以及层间应力,为渐进失效分析提供了可靠的基础。本文采用了修正的三维Hashin准则作为单元失效的判断依据,使用交互式退化模型对失效单元进行材料性能退化;同时研究了材料常数υ23值和刚度缩减系数(SCR)对失效载荷预测结果的影响;实现了失效扩展过程的仿真分析;计算了不同层合板的最终失效载荷,计算值与试验值误差小于10%。

复合材料π接头渐进失效分析

针对复合材料π接头复杂的失效形式,采用材料刚度退化的方法模拟结构的渐进失效过程.用Abaqus建立某复合材料π接头的三维有限元模型;采用三维Hashin失效准则和Ye分层准则判别复合材料层合板的5种失效形式,将理想弹塑性材料模型应用于胶层材料来模拟胶层材料的失效,在Abaqus中建立考虑复合材料层合板和胶层失效的分析子程序;在子程序中,定义6个场变量代表纤维拉伸破坏、纤维屈曲、基体拉伸开裂、基体压缩开裂、分层失效和胶层失效等6种失效形式.在递增的拉伸载荷作用下对所建模型进行失效分析,结果表明该方法能有效地对复合材料π接头进行初始失效位置及载荷的判别和最终失效预测.

含褶皱缺陷玻璃纤维增强复合材料层合板拉伸渐进失效分析

为研究褶皱缺陷对玻璃纤维增强树脂基复合材料层合板拉伸性能的影响,采用Abaqus有限元软件,结合USDFLD子程序,建立含褶皱缺陷的玻璃纤维增强复合材料层合板渐进失效分析模型。通过数值仿真分析方法对含褶皱缺陷层合板在拉伸载荷作用下的强度退化和渐进失效过程进行研究,分析褶皱高宽比对层合板拉伸性能的影响。结果表明:拉伸强度预测值以及损伤初始位置与文献中实验结果吻合较好,验证了建立的仿真分析模型;随着褶皱高宽比的增加,拉伸失效载荷和强度显著降低;在拉伸载荷作用下,在褶皱变形区域与富树脂区域相接的铺层位置存在应力集中;层合板损伤由富树脂区域逐渐向褶皱变形区域扩展,最终在褶皱变形区域完全失效;受褶皱影响,层合板在拉伸过程中发生弯曲变形,在线弹性阶段,相同载荷条件下变形随着褶皱高宽比的增加而增加。

内埋光纤L型夹芯复合材料结构渐进失效分析

针对内埋光纤L型夹芯复合材料接头结构,通过有限元仿真,研究了内埋光纤夹芯结构的损伤失效问题.建立了含内埋光纤和不含内埋光纤的L型夹芯复合材料接头的三维有限元模型,编制用户子程序进行渐进失效分析.通过与文献中的试验结果进行对比验证了有限元方法的有效性.在此基础上,讨论了含内埋光纤夹芯复合材料结构的损伤失效机制,并研究了内埋光纤形成的树脂富集区的高度对结构损伤失效的影响.结果表明,埋入光纤引起夹芯结构圆弧肘板上面板应力集中系数超过1.10,使面板处的材料提前发生失效,导致夹芯结构强度降低约3%;当树脂富集区高度大于1.5 mm时,埋入光纤对夹芯结构的损伤失效影响增大.

平纹编织面板泡沫夹芯结构修补后侧向压缩有限元渐进失效分析

为研究修补对平纹编织面板泡沫夹芯结构侧向压缩性能的影响,通过USDFLD材料子程序,设置Tsai-Wu准则面板材料的失效判据,将线性屈曲模态考虑为初始缺陷,建立平纹编织面板泡沫夹芯结构修补后侧向压缩渐进损伤失效分析模型。结果表明,所建立模型的有效性通过试验得到了验证;面板挖补倾角在1∶10~1∶22范围内修补质量较好,且侧向压缩强度随面板挖补倾角比例的减小而增大;附加层重叠宽度在5~15mm范围内修补质量较好,且侧向压缩强度随附加层重叠宽度的增大而减小,但变化幅度不大;对完好泡沫夹芯结构或者母板损伤小的修补件,纯屈曲分析方法对其最大侧向压缩载荷的预测更加准确;夹芯结构侧向压缩的失效机理为芯材首先发生失效,然后面板发生局部屈曲,当载荷达到试件侧向压缩强度后,面板最终失效。

基于Zinoviev理论的含孔复合材料层合板三维有限元渐进失效分析

建立了含孔复合材料层合板的三维有限元模型,以二维Zinovie理论为基础,结合改进的三维Hashin准则,对二维Zinoviev理论进行了简化和拓展,提出了适用于三维模型的刚度退化方案,完成了对层合板的渐进失效分析。从纤维失效、基体失效、分层失效三个方面讨论了层合板在拉伸载荷作用下的失效过程,并预测了层合板的拉伸极限强度及破坏模式。数值模拟结果与试验基本吻合,验证了所提出退化模型的正确性。

挖补修理平纹编织面板蜂窝夹芯结构侧向压缩渐进失效机理

针对单侧面板挖补、单侧面板加芯子挖补、双侧面板加芯子挖补3种修理方式,采用一维阶梯挖补模型代替三维模型研究挖补修理平纹编织面板蜂窝夹芯结构侧向压缩渐进失效机理。建立能够模拟蜂窝壁损伤演化的有限元模型,利用内聚力模型模拟胶层损伤。试验和仿真结果表明,完好件和各种挖补方式试验件的破坏模式均为向非修补面板内凹的屈曲变形;各种挖补方式的侧压强度恢复率均在75%以上,大小排序为:单侧面板挖补、双侧面板加芯子挖补、单侧面板加芯子挖补;完好件和各种挖补方式试验件均未出现面板损伤,均出现蜂窝壁横向损伤和剪切损伤,且横向损伤均先出现,均在与发生大变形的蜂窝芯格相连的胶层处出现应力集中;蜂窝壁纵向损伤仅出现在单侧面板挖补件上,胶层损伤只出现在双侧面板加芯子挖补件上;芯子蜂窝壁损伤均发生在靠近替芯的母体芯材上。

基于率相关三维弹塑性损伤模型的复合材料渐进失效分析

建立了一个同时考虑复合材料非线性力学响应、应变率效应和损伤累积导致材料属性退化的弹塑性三维损伤本构模型。采用改进的塑性力学模型表征材料在动态荷载下的非线性力学行为。为准确预测复合材料在动态荷载下的弹塑性力学响应,引入了率相关放大系数对准静态下的塑性强化函数进行修正。采用“断裂带模型”对已开发的本构模型软化段进行规则化,以减轻有限元分析结果的网格敏感性。采用分区反抛物线插值法对基体损伤初始断裂面角度及纤维扭结/劈裂平面角度进行求解。开发包含数值积分算法的用户材料自定义子程序VUMAT,并嵌于有限元程序ABAQUS V6.14中,对力学行为展现显著非线性力学效应和应变率效应的IM7/8552碳纤维/环氧树脂复合材料层合板进行了渐进失效分析,验证本文提出的材料本构模型的有效性。结果显示,预测结果与已报道的试验结果吻合良好,表明已建立的率相关三维弹塑性损伤本构模型能准确预测此类复合材料层合板的在动态荷载下的力学行为,为复合材料构件及其结构设计提供了一种有效的分析方法。

L型碳纤维增强复合材料连接件承载力的渐进损伤分析

从试验与计算两个方面,对比研究了 L型碳纤维增强复合材料连接件(carbon fiber reinforced composite connector,CFRCC)的失效形式和极限承载力.结果表明:(1)在拉伸载荷工况下,复合材料L型CFRCC失效形式主要为圆角处的分层和开孔周边基体破坏;(2)对比两种失效准则和两种退化准则的不同组合,发现在有限元分析中采用混合失效准则和Camanho-Matthews刚度退化准则的渐近失效分析方案可以较好地模拟实验现象;(3)将有限元分析模型及其模拟获得的参数应用于预测不同辅层顺序和圆角半径的L型CFRCC性能,与试验结果吻合良好,极限承载力误差为9.4%.建立的"设计-试验-模拟-预测-验证"分析方法及其获得的结果可为复合材料L型构件的强度设计提供借鉴.

复合材料加筋板极限压缩承载能力可靠性分析

基于Abaqus软件用户子程序,利用渐进失效分析方法对复合材料加筋板极限压缩承载能力进行预测。算例分析表明,对于加筋板1和2,本文方法给出的极限压缩强度与实验结果的误差分别为2.53%和1.68%。在结构可靠性分析过程中,为提高计算效率,利用屈曲载荷与极限压缩强度之间的关系建立功能函数,只需对极限压缩承载能力进行一次分析。对于加筋板1和2,本文方法相对经典可靠性方法的计算误差分别为-1.04%和-1.01%,计算时间仅为经典可靠性方法的1.18%和1.66%。

拉伸载荷下含孔复合材料层合板的力学性能及失效机理

采用有限元软件ABAQUS,基于前人提出的失效准则,通过引入纤维损伤因子和基体损伤因子并编制用户材料子程序UMAT,建立了含孔复合材料层合板的三维渐进损伤破坏模型。利用该损伤破坏模型,研究了在轴向拉伸载荷作用下不同圆孔直径和铺层角度的复合材料层合板的纤维和基体的渐进损伤失效过程及规律。结果表明:不同铺层角度条件下,纤维和基体的损伤失效差别较大;圆孔直径和铺设角度对含孔复合材料层合板的失效破坏载荷的影响十分显著,而铺设顺序和开孔位置对失效破坏载荷的影响较小。建立的失效破坏模型能有效地分析层合板的渐进失效破坏过程,为层合板的工程应用和设计提供有益的参考。

粘性系数对复合材料层合板的渐进损伤影响

在渐进失效分析法的基础上,为研究粘性系数(η)对层合板结构最终失效的影响,以含有中心贯穿式孔裂纹的E-glass/HT907复合材料层合板为研究对象。采用工程上使用较为普遍的Hashin准则作为结构失效单元的判别依据,结合各种损伤模型,对层合板结构的破坏机理、材料失效后的损伤扩展过程以及结构发生破坏后的最终失效载荷进行了合理阐述。利用此方法探讨了不同粘性系数影响下对复合材料结构的极限承载力的影响,同时可以清楚的了解到材料结构的局部和整体应力损伤分布情况以及发生损伤后载荷的重新分布和损伤扩展途径,为基于有限元复合材料层合板结构的极限承载力分析、设计提供参考。试验表明,此预测结果与试验结果基本吻合。

复合材料层合板首末层失效强度的预测方法研究

建立复合材料的三维有限元模型,该模型能有效计算自由边界区的应力以及层间应力,与二维模型相比提高了求解精度;采用Tsai-Wu张量理论作为单元失效的判断依据,引入安全系数计算首层失效,然后使用增量法求解复合材料最终失效强度,使得求解速度加快的同时又不影响求解精度;使用正交实验方法研究不同刚度缩减系数(SCR)对首末层失效强度的影响,发现在进行渐进失效分析时,有限元模型是否合理应该根据首层失效强度与实验值进行比较,不能只考虑最终失效强度与实验值的差异。

国产碳纤维复合材料开孔拉伸失效分析与预测

基于国产碳纤维复合材料含孔层合板失效模式和损伤机理研究,结合试验分析建立了符合其失效机理的有限元模型,并在有限元模型中研究了不同失效准则对剩余强度计算结果的影响,通过比较试验数据与数值模拟结果表明:二维模型能比较准确地预测国产碳纤维复合材料含孔层合板的剩余强度,破坏载荷的数值模拟与试验数据的相对误差为7.9%,而拉伸模量的相对误差为5.6%.

基于加速试验方法的复合材料长期寿命预测

将跨尺度失效理论(Micro-Mechanics of Failure,简称"MMF")、加速试验方法(Accelerated Testing Methodology,简称"ATM")和渐进损伤分析(Progressive Damage Analysis,简称"PDA")三种方法相结合,提出了一种可以预测复合材料长期寿命和失效过程的分析方法。对MMF失效准则进行改进,区分了基体拉伸和压缩细观失效模式。建立了MMF/ATM/PDA方法有限元计算流程,并在ABAQUS中使用用户自定义材料(UMAT)实现。通过对不同温度下复合材料纵向和横向单向板的拉伸、压缩试验测得静载和疲劳寿命,得到复合材料MMF/ATM细观临界值。采用MMF/ATM/PDA方法对准各向同性开孔板压缩长期寿命进行了预测,并对破坏过程进行了模拟,分析了纤维和基体的失效过程。试验结果和预测结果吻合良好,验证了方法的合理性。

基于剪切非线性三维损伤本构模型的复合材料层合板失效强度预测

基于连续损伤力学,建立了同时考虑复合材料剪切非线性效应和损伤累积导致材料属性退化的三维损伤本构模型。模型能够区分纤维损伤、基体损伤和分层损伤不同的失效模式,并定义了相应损伤模式的损伤变量。复合材料层合板层内纤维初始损伤采用最大应力准则判定,基体初始损伤采用三维Puck准则中的基体失效准则判定,分层初始损伤采用三维Hou准则中的分层破坏准则判定,为了计算Puck失效理论中的基体失效断裂面角度,本文提出了分区抛物线法,通过Matlab软件编写计算程序并进行分析。结果表明,与Puck遍历法和分区黄金分割法对比,本文提出的分区抛物线法有效地降低了求解断裂面角度的计算次数,提高了计算效率和计算精度。推导了本构模型的应变驱动显式积分算法以更新应力和解答相关的状态变量,开发了包含数值积分算法的用户自定义子程序VUMAT,并嵌于有限元程序Abaqus v6.14中。通过对力学行为展现显著非线性效应的AS4碳纤维/3501-6环氧树脂复合材料层合板进行渐进失效分析,验证了本文提出的材料本构模型的有效性。结果显示,已提出的模型能够较准确地预测此类复合材料层合板的力学行为及其失效强度,为复合材料构件及其结构设计提供一种有效的分析方法。

分层损伤对含孔复合材料层合板剩余强度影响

以国产碳纤维复合材料CCF300/QY8911含孔层合板静力拉伸试验为基础,建立了符合其损伤失效模式的有限元三维预测模型.通过引入Cohesive界面单元分析了层合板拉伸过程中的分层扩展,数值模拟的结果与试验结果吻合较好,破坏载荷预测结果与试验数据相比误差在5%以内.根据CCF300复合材料构件在制造过程和实际使用中产生的孔边分层缺陷的情况,在孔边预置分层,分析了初始分层损伤对于层合板剩余强度的影响.结果表明表面预制分层对剩余强度影响较小,但会引起自由边提前分层失效.

基于弹塑性损伤本构模型的复合材料层合板破坏荷载预测

在连续损伤力学和塑性力学框架内,建立一个同时考虑塑性效应和损伤累积导致材料属性退化的复合材料弹塑性损伤本构模型。基于最近点投影回映算法,开发本构模型的应变驱动隐式积分算法以更新应力及与解答相关的状态变量,并推导与所开发算法相应的数值一致性切线刚度矩阵,保证有限元分析采用NewtonRaphson迭代法解答非线性问题的计算效率。采用断裂带模型对已开发的本构模型软化段进行规则化,以减轻有限元分析结果的网格相关性问题。对损伤变量进行粘滞规则化,并推导出相应的粘滞规则化数值一致性切线刚度张量,解决了在有限元隐式计算程序中采用含应变软化段本构关系的数值分析由于计算困难而提前终止的问题。开发包含数值积分算法的用户材料子程序UMAT,并嵌于有限元程序Abaqus v6.14中。通过对力学行为展现显著塑性效应的AS4/3501-6V型开口复合材料层合板的渐进失效分析,验证本文提出的材料本构模型的有效性。结果显示,预测结果与已报道的试验结果吻合良好,并且预测精度高于其他已有弹性损伤模型。表明已建立的弹塑性损伤本构模型能够准确预测力学行为,展现显著塑性效应的复合材料层合板的破坏荷载,为其构件和结构设计提供一种有效的分析方法。

碳纤维复材-铝合金双槽形截面层合板梁承载性能预测研究

为了研究具有双槽形异型截面的碳纤维增强铝合金层合板梁的弯曲承载性能,采用压力模压热固化成形工艺制备了两组碳纤维铺层结构分别为[0°/90°/0°]和[45°/0°/-45°]的双槽形截面层合板梁构件,进行了四点弯曲试验,获得了不同试件的极限弯曲荷载和破坏模式。针对二维Hashin失效准则的局限性,采用FORTRAN语言编写了适用于ABAQUS/Explicit显式分析算法的VUMAT子程序,实现了基于三维Hashin失效准则的CFRP层渐进损伤的数值模拟分析功能,对双槽形层合板梁的承载性能和破坏形式进行了分析。同时,基于经典层合板理论提出了一种预测碳纤维增强铝合金层合板梁安全承载力的理论方法。试验、数值模拟与理论计算结果的比较表明,所提出的安全承载力计算方法可用于预测碳纤维增强铝合金槽形截面层合板梁的安全承载力,可应用于异形截面层合板梁构件的设计。